專利名稱：一種帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種通信技術(shù)領(lǐng)域的濾波器綜合設(shè)計(jì)方法，具體涉及ー種帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，移動(dòng)通信、無線技術(shù)領(lǐng)域正處在ー個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，各種創(chuàng)新移動(dòng)通信、無線技術(shù)不斷涌現(xiàn)并快速步入商用，應(yīng)用市場(chǎng)異?；钴S，移動(dòng)、無線技術(shù)自身也在快速演進(jìn)中不斷革新。射頻/微波濾波器作為現(xiàn)代通信設(shè)備中不可缺少的關(guān)鍵器件之一，它能有效地濾除各種無用信號(hào)及噪聲信號(hào)，降低各通信頻道間的信號(hào)干擾，從 而保障通信設(shè)備的正常工作?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)通常要求濾波器具有良好的頻率選擇性等特點(diǎn)。廣義切比雪夫?yàn)V波器能夠通過在非相鄰的諧振器之間引入耦合，從而產(chǎn)生位于有限頻率或者無窮遠(yuǎn)處的傳輸零點(diǎn)，改善濾波器的頻率選擇性或者抑制不需要的諧波?，F(xiàn)有的方法從低通原型出發(fā)，使用低通-帶通頻率變換將低通原型變換到帶通濾波器。例如，又獻(xiàn)R. J. Cameron, Advanced coupling matrix syntnesis techniques ior microwaveiiiters，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 51，no. 1，F(xiàn)eb.2003，pp. 1-10，提出了一種廣義切比雪夫單通帶濾波器的綜合方法，文獻(xiàn)Yi-Ting，andChI-yang Cnang,“Analytical design of two-mode dual-band filters using e-shapedresonators,IEEE Transactions on Microwave and Techniques,vol.60,No. 2, June2012，pp. 250-260，提出了一種廣義切比雪夫多通帶濾波器的綜合方法。然而這些現(xiàn)有方法導(dǎo)出的耦合矩陣只是窄帶近似，無法用于寬帶濾波器的綜合，并且這些現(xiàn)有方法都基于低通原型的概念，無法直接調(diào)整濾波器的群時(shí)延在帶通域中的平坦性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，解決現(xiàn)有的廣義切比雪夫單通帶或多通帶帶通濾波器綜合設(shè)計(jì)方法中存在的問題，即導(dǎo)出的耦合矩陣只是窄帶近似，不能用于綜合寬帶濾波器的缺陷，提出了一種帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟SI.根據(jù)待綜合帶通濾波器的指標(biāo)，初始化待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置；S2.根據(jù)待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置，將帶通濾波器的每個(gè)通帶按照單通帶濾波器進(jìn)行單獨(dú)綜合，導(dǎo)出每個(gè)單通帶濾波器對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)Γ,を)，其中，i =1，···，Μ;Μ表示所述的帶通濾波器通帶數(shù)目，？表示歸ー化復(fù)數(shù)角頻率變量，具體大小為s =s/ac ； ω。表示用于歸ー化的特征角頻率，s表示復(fù)數(shù)角頻率變量,具體大小為s=jco，其中，j是虛數(shù)単位，ω為角頻率變量；S3.根據(jù)步驟S2得到的每個(gè)單通帶濾波器對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)得到待綜合帶通濾波器的特征函數(shù)Γ( )，并導(dǎo)出傳輸多項(xiàng)式P(J)、反射多項(xiàng)式F(J)和共有分母多項(xiàng)式irb);S4.判斷得到的待綜合帶通濾波器的頻率響應(yīng)是否滿足步驟SI所述的待綜合帶通濾波器的指標(biāo)，如果不滿足要求，調(diào)整待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置，返回到步驟S2 ;如果滿足要求，則執(zhí)行步驟S5 ；S5.將由步驟S3得到的傳輸多項(xiàng)式/^)、反射多項(xiàng)式和共有分母多項(xiàng)式￡貨)所構(gòu)成的散射矩陣P]轉(zhuǎn)化為理論導(dǎo)納矩陣[歹^ =S6.將理論導(dǎo)納矩陣[V],進(jìn)行部分分式展開，并與橫向等效電路中所導(dǎo)出的等效
電路導(dǎo)納矩陣[J7Lreuit進(jìn)行對(duì)比，從而確定橫向等效電路中各個(gè)諧振器的諧振頻率和描述源端、負(fù)載端以及這些諧振器之間耦合關(guān)系的導(dǎo)納倒置器參數(shù)，最終得到以全局諧振模式表不的橫向網(wǎng)絡(luò)矩陣[-4 ]
進(jìn)ー步的，還包括步驟S7.通過數(shù)乘和旋轉(zhuǎn)消元變換將步驟S6得到的基于全局諧振模式表示的橫向網(wǎng)絡(luò)矩卩 換成所期望的稀疏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)矩陣。作為ー種優(yōu)選方案，步驟S2所述的導(dǎo)出每個(gè)單通帶濾波器對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)的具體計(jì)算過程如下首先在變換ζ域中構(gòu)造變換域函數(shù)f (Z)，z為中間變量，中間變量z在第k個(gè)傳
輸零點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值^ ニ —無二き.，式中—是第k個(gè)傳輸零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)角頻率k=l，…
^Aoa
，Ni, Ni表示單通帶濾波器的階數(shù)，分別是第i個(gè)通帶的歸ー化上邊界角頻率和歸ー化下邊界角頻率，然后通過共形變換？ = - ，其中，Rez <0，將變換域函數(shù)f (ζ)變換到歸ー化復(fù)頻率f域之中，得到特征函數(shù)Γ,け)。即(J)= ^zI = /(ニ)!_2ο作為ー種優(yōu)選方案，步驟S2所述的傳輸零點(diǎn)具體為復(fù)數(shù)形式。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法能夠在帶通域內(nèi)對(duì)單通帶或多通帶帶通濾波器進(jìn)行直接綜合，通過引入復(fù)數(shù)傳輸零點(diǎn)改善濾波器通帶內(nèi)的群時(shí)延特性；可以用于提取具有任意帶寬和位于任意頻率處傳輸零點(diǎn)的廣義切比雪夫?yàn)V波器的網(wǎng)絡(luò)矩陣，所導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)矩陣具有實(shí)際物理意義，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)方案所導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)矩陣可以看作是本發(fā)明所述技術(shù)方法所導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)矩陣的低通窄帶近似結(jié)果，整個(gè)方法具有簡(jiǎn)單快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明N階廣義切比雪夫?yàn)V波器等效電路示意圖。其中，圖2(a)為含有Ν+1條耦合支路的N階廣義切比雪夫?yàn)V波器等效電路；圖2(b)為其中第k條支路的等效電路。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例一中的八階廣義切比雪夫單通帶濾波器的帶通頻率響應(yīng)示意圖。其中，圖3(a)為頻率響應(yīng)示意圖；圖3(b)為群時(shí)延響應(yīng)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例ニ中的四階廣義切比雪夫單通帶濾波器的帶通頻率響應(yīng)示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例三中的四階廣義切比雪夫雙通帶濾波器的帶通頻率響應(yīng)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。這里只考慮無損耗情況，假設(shè)待綜合的多通帶廣義切比雪夫?yàn)V波器具有M個(gè)通帶(M為大于或等于I的自然數(shù)。當(dāng)M等于I吋，即為單通帶；當(dāng)M大于I吋，即為多通帯)，這
M個(gè)通帶分別位于[^,,，叫」い=I...,Λ./), Oua和Oda分別是第i個(gè)通帶的上邊界角頻率和
下邊界角頻率，每個(gè)通帶內(nèi)的回波損耗為RLitl在以下討論中為簡(jiǎn)便起見，定義一個(gè)用于歸ー化的特征角頻率ω。，一般而言ω?？梢匀我馊≈担绱C合模擬濾波器的頻率范圍落在GHz之內(nèi)，可以選取ωε=2π · 109rad/s。復(fù)數(shù)角頻率變量定義為s=jco，其中j是虛數(shù)単位，ω為角頻率變量，則歸ー化復(fù)數(shù)角頻率變量為？ = #叱。在以下討論中，凡是頭上標(biāo)有橫線的符號(hào)皆是歸ー化后的符號(hào)。本發(fā)明所述方法的實(shí)施步驟如圖I所示，包括以下步驟SI.根據(jù)待綜合帶通濾波器的指標(biāo)，初始化待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置；S2.根據(jù)待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置，將帶通濾波器的每個(gè)通帶按照單通帶濾波器進(jìn)行單獨(dú)綜合，導(dǎo)出每個(gè)單通帶濾波器對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)(:,(>).其中，i=l，…，M ;Sr表示歸ー化復(fù)數(shù)角頻率變量，具體大小為ヌニ·; ω。表示用于歸ー化的特征角頻率，s 表示復(fù)數(shù)角頻率變量，具體大小為s=j ω，其中，j是虛數(shù)単位，ω為角頻率變量；假設(shè)待綜合模擬濾波器具有M個(gè)通帯，不失一般性，現(xiàn)考慮第i個(gè)通帯，其歸ー化帶寬為1 , .,](其中吒，=rnujjwc and 5 , = ω '“0)c)。由于濾波器的性能完全由傳輸零點(diǎn)
所決定，傳輸零點(diǎn)具體為復(fù)數(shù)形式，根據(jù)功能可以分為兩類第一類傳輸零點(diǎn)是純虛數(shù)形式即も^ =Jlet，這類傳輸零點(diǎn)設(shè)置在通帶之外，主要用于控制濾波器頻率響應(yīng)中傳輸參數(shù)S21的幅度；第二類傳輸零點(diǎn)是成對(duì)的非純虛數(shù)形式的復(fù)數(shù)形式即ん.ニ ±或,，這類零點(diǎn)設(shè)置在通帶之內(nèi)，主要用于控制濾波器頻率響應(yīng)中傳輸參數(shù)S21的相位或者群時(shí)延，表示第k個(gè)傳輸零點(diǎn)±J0是1 的歸ー化實(shí)部，且友《為正實(shí)數(shù)的歸ー化虛部，且為正實(shí)數(shù)。如果第i個(gè)通帶是Ni階，意味著有Ni個(gè)傳輸零點(diǎn)(僅考慮位于零頻率和正頻率上的傳輸零點(diǎn))。因此，可以把這個(gè)通帶看作一個(gè)Ni階單通帶濾波器，并把這個(gè)通帶附近的傳輸零點(diǎn)看作是這個(gè)單通帶濾波器所有。假設(shè)在這個(gè)單通帶濾波器在零頻率處具有NPi個(gè)傳輸零點(diǎn)，在有限正頻率處具有個(gè)傳輸零點(diǎn)，在正無窮遠(yuǎn)處具有NLi個(gè)傳輸零點(diǎn)。則這些傳輸零點(diǎn)的個(gè)數(shù)滿足關(guān)系=Ni=NPdNMJNLi。這里用復(fù)頻率5 =ゾ硨t表示這個(gè)單通帶濾波器的第k個(gè)傳輸零點(diǎn)。下面按照廣義切比雪夫?yàn)V波器單通帶綜合方法來進(jìn)行綜合，導(dǎo)出它的特征函數(shù)㈤，再由特征函數(shù)G⑴導(dǎo)出多項(xiàng)式/^)、A的和令)。首先在變換ζ域中構(gòu)造ー個(gè)變換域函數(shù)f (Z)，例如變換域函數(shù)f (Z)可以具有下面的形式
權(quán)利要求
1.一種帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟 51.根據(jù)待綜合帶通濾波器的指標(biāo)，初始化待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置； 52.根據(jù)待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置，將帶通濾波器的每個(gè)通帶按照單通帶濾波器進(jìn)行單獨(dú)綜合，導(dǎo)出每個(gè)單通帶濾波器對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)r,(句，其中，i = I,…，M ;M表示所述的帶通濾波器通帶數(shù)目i表示歸一化復(fù)數(shù)角頻率變量，具體大小為5=#咚；《。表示用于歸一化的特征角頻率，S表示復(fù)數(shù)角頻率變量,具體大小為s=j CO，其中，j是虛數(shù)單位，CO為角頻率變量； 53.根據(jù)步驟S2得到的每個(gè)單通帶濾波器對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)r,&)，得到待綜合帶通濾波器的特征函數(shù)r( )，并導(dǎo)出傳輸多項(xiàng)式反射多項(xiàng)式Fp)和共有分母多項(xiàng)式￡ 54.判斷得到的待綜合帶通濾波器的頻率響應(yīng)是否滿足步驟SI所述的待綜合帶通濾波器的指標(biāo)，如果不滿足要求，調(diào)整待綜合帶通濾波器的傳輸零點(diǎn)的位置，返回到步驟S2 ；如果滿足要求，則執(zhí)行步驟S5; 55.將由步驟S3得到的傳輸多項(xiàng)式P(巧、反射多項(xiàng)式巧和共有分母多項(xiàng)式尺( )所構(gòu)成的散射矩陣轉(zhuǎn)化為理論導(dǎo)納矩陣； 56.將理論導(dǎo)納矩陣[歹]7.進(jìn)行部分分式展開，并與橫向等效電路中所導(dǎo)出的等效電路導(dǎo)納矩陣|>1_進(jìn)行對(duì)比，從而確定橫向等效電路中各個(gè)諧振器的諧振頻率和描述源端、負(fù)載端以及這些諧振器之間耦合關(guān)系的導(dǎo)納倒置器參數(shù)，最終得到以全局諧振模式表示的橫向網(wǎng)絡(luò)矩陣[1]。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，還包括步驟S7.通過數(shù)乘和旋轉(zhuǎn)消元變換將步驟S6得到的基于全局諧振模式表示的橫向網(wǎng)絡(luò)矩陣[1|變換成所期望的稀疏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S2所述的導(dǎo)出每個(gè)單通帶濾波器對(duì)應(yīng)的特征函數(shù)(’,(▽)的具體計(jì)算過程如下 首先在變換Z域中構(gòu)造變換域函數(shù)f (Z)，Z為中間變量，中間變量Z在第k個(gè)傳輸零點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值2_ = ......，式中_是第k個(gè)傳輸零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)角頻率k=l，…，Ni, Ni V Sok-JOyd,,Sok表示單通帶濾波器的階數(shù)石和而/分別是第i個(gè)通帶的歸一化上邊界角頻率和歸一化下邊界角頻率，然后通過共形變換？ = j j^1，其中，RezS O，將變換域函數(shù)f (Z)變換到歸 -J 4一化復(fù)頻率f域之中，得到特征函數(shù)(；( )，即 Ci= fAs)
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S2所述的傳輸零點(diǎn)具體為復(fù)數(shù)形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述/ :貨)通過如下過程計(jì)算E(s)￡{s) = F(s)F*{s)+P{s)P*{s),上標(biāo) “*，，表示取共軛運(yùn)算， E'{s) = sr-E(s), ^表示調(diào)節(jié)系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S5中所述的理論導(dǎo)納矩陣[7],具體為
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S6中所述的確定橫向等效電路中各個(gè)諧振器的諧振頻率和描述源端、負(fù)載端以及這些諧振器之間耦合關(guān)系的導(dǎo)納倒置器參數(shù)的具體過程如下 與橫向等效電路所對(duì)應(yīng)的等效電路導(dǎo)納矩陣|>]OTeuit具體表示為 式中，厲表示歸一化后的角頻率變量， 將將步驟S6得到的理論導(dǎo)納矩陣[歹1進(jìn)行部分分式展開，然后與待綜合模擬濾波器的橫向等效電路所對(duì)應(yīng)的等效電路導(dǎo)納矩陣[歹]drcult進(jìn)行比較，可以確定等效電路導(dǎo)納矩陣Plnit中的各個(gè)諧振器諧振頻率黽和導(dǎo)納倒置器參數(shù)Jsl^ k=l,…，N，其中，N為所述帶通濾波器的階數(shù)，Jst為源端與第k個(gè)諧振器之間的導(dǎo)納倒置器參數(shù)，Jit為負(fù)載端與第k個(gè)諧振器之間的導(dǎo)納倒置器參數(shù)，Jsl表示源端和負(fù)載端之間的導(dǎo)納倒置器參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7任一權(quán)利要求所述的帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的帶通濾波器具體為廣義切比雪夫帶通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶通濾波器直接綜合設(shè)計(jì)方法。針對(duì)現(xiàn)有的廣義切比雪夫單通帶或多通帶帶通濾波器綜合設(shè)計(jì)方法中導(dǎo)出的耦合矩陣只是窄帶近似，不能用于綜合寬帶濾波器的缺陷，本發(fā)明的方法能夠在帶通域內(nèi)對(duì)單通帶或多通帶帶通濾波器進(jìn)行直接綜合，通過引入復(fù)數(shù)傳輸零點(diǎn)改善濾波器通帶內(nèi)的群時(shí)延特性；可以用于提取具有任意帶寬和位于任意頻率處傳輸零點(diǎn)的廣義切比雪夫?yàn)V波器的網(wǎng)絡(luò)矩陣，所導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)矩陣具有實(shí)際物理意義，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)方案所導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)矩陣可以看作是本發(fā)明所述技術(shù)方法所導(dǎo)出的網(wǎng)絡(luò)矩陣的低通窄帶近似結(jié)果，整個(gè)方法具有簡(jiǎn)單快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102708265SQ20121019207
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者肖飛 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)